M1 Science des matériaux - matériaux pour la médecine - D. Bazin - Sept 2011
- Apatite - 1 -
M1 Science des matériaux -
matériaux pour la médecine -
D. Bazin - Sept 2011
Apatite – Partie B
Science des mat ériauxTechniques de
caractérisation
Médecine
Biomat ériaux
D. Bazin
Laboratoire de Physique des Solides UMR 8502,
Université Paris Sud, Bât 510 91405 Orsay Cedex, France.
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PLAN Chapitre 0 Introduction
Chapitre 1 Sondes & Polymère
Chapitre 2 - Prothèse en alliage à base de titane
Chapitre 3 Apatite
Partie A Quelques généralités sur l’os Chapitre 4.1 Les différents types d’os
Chapitre 4.2 Structure à l’échelle macroscopique
Chapitre 4.3 Structure à l’échelle mésoscopique
Chapitre 4.4 Structure à l’échelle cellulaire
Chapitre 4.5 Mise en œuvre de l’apatite dans le milieu médical
Partie B Propriétés physicochimiques Chapitre 4.6 Généralités
Chapitre 4.7 Première spécificité structurale : Nanomatériaux
Chapitre 4.8 Ecart à la formule stœchiométrique : défaut des OH-
Chapitre 4.9 Ecart à la formule stœchiométrique : Lacunes cationiques
Chapitre 4.10 Deuxième spécificité structurale : surface non apatitique
Chapitre 4.11 Structure des apatites à l’échelle atomique
Chapitre 4.12 Les processus de substitution à l’échelle atomique
Chapitre 4.13 Les carbonates et Quelques études associées
Chapitre 4.14 Les cations
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Partie B Propriétés physicochimiques
Chapitre 4.6 Généralités1
Le tableau I-1 regroupe2 les différents
orthophosphates de calcium que comprend le système
Ca(OH)2-H3PO4, avec leur rapport atomique Ca/P.
Ces composés correspondent soit à des phases
cristallines particulières identifiées par diffraction des
rayons X et par spectroscopie infrarouge soit à des
phases amorphes.
1. http://www.ipnl.in2p4.fr/cfi/apatites.htm
2. Thèse M. Banu, 2005, Toulouse.
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Des 1926, par diffraction des rayons X, De Jong mettait en
évidence la similitude entre l’os et les minéraux de type
apatitiques. Décrite par le minéralogiste allemand Abraham
Gottlob Werner en 1786, le terme est inspiré du grec apatan ;
tromper3.
Les apatites possèdent la formule suivante
Ca10(PO4)6X2
où X peut être un ion Cl- ou F- ou OH-. Elles constituent le
minéral phosphaté le plus abondant sur terre, elles existent
sous deux formes physiques dans la nature :
- des monocristaux centimétriques d'origine magmatique
(Fluorapatite : Ca10(PO4)6F2) - des cristallites de quelques
microns d'origine sédimentaire (Hydroxyapatite :
Ca10(PO4)6(OH)2).
3. http://fr.wikipedia.org/wiki/Apatite
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5
Toutes les minéralisations biologiques à
base de phosphate de calcium peuvent être
représentées par la formule chimique
suivante4,5 :
Ca10–(x–u)(PO4)6–x (HPO4 ou CO3)x (OH;F;...)2–(x–2u)
avec 0 ≤ x ≤ 2 et 0 ≤ 2u ≤ x dans laquelle il
existe des lacunes cationiques (x – u) et des
lacunes anioniques (x – 2u) sur les sites
monovalents. Le paramètre u est généralement
très faible et peut être négligé dans le cas des
apatites biologiques.
4. R. Legros, Apport de la physico-chimie à l’étude de la phase minérale des tissus calcifiés,
thèse d’État, INP, Toulouse,1978.
5. S. Cazalbou et al., Minéralisations biologiques à base de phosphate de calcium, C. R.
Palevol 3 (2004) 563–572.
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6
Chapitre 4.7 Première spécificité structurale : Nanomatériaux
Les cristaux d’apatite se présentent sous la
forme d’un parallépipède
50 nm * 25 nm * 5 nm
Figure. Représentation d’un cristal d’apatite
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7
6
Figure: Cristal d’apatite et son contexte médical
6. M. Vallet-Regi, J. M. Gonzalez-Calbet, Calcium phosphates as substitution of bone tissues,
Progress in Solid State Chemistry 32 (2004) 1–31
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Chapitre 4.8 Ecart à la formule stœchiométrique : défaut des OH-7
Ca10 (PO4)6 OH2
7. Hydroxyl Groups in Bone Mineral, C. Rey, J. L. Miquel, L. Facchini, A.P. Glimcher, Bone
Vol. 16, No. 5, 1995:583-586
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(a) unheated
(b) heated at 300°C in air
© heated at 300°C under CO2
(d) = (b) + (c) 1
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Chapitre 4.9 Ecart à la formule stœchiométrique : Lacunes
cationiques
8
Cette non-stœchiométrie se traduit par9 :
- la présence de lacunes en site cationique et OH
- une teneur en OH- inférieure à 2 par maille
- un état de cristallinité d’autant plus médiocre que
l’hydroxyapatite est éloignée de la stœchiométrie
- une solubilité de plus en plus grande lorsqu’on
s’éloigne de la stœchiométrie
8. http://www.cea.fr/var/cea/storage/static/gb/library/Clefs46/pagesg/clefs46_52.html
9. http://www.teknimed.com/pageLibre00010015.html
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11
Chapitre 4.10 Deuxième spécificité structurale : surface non
apatitique
Toutes ces méthodes mettent en évidence, en plus de
l’existence d’environnements ioniques majoritaires
caractéristiques de la structure apatitique, d’autres types
d’environnements ioniques détectables uniquement dans les
nanocristaux. Ces environnements ioniques particuliers sont
appelés « environnements non apatitiques ». Ils ont été
associés à des couches ioniques hydratées de surface,
particulièrement abondantes dans les nanocristaux d’apatite
fraîchement précipités.
10
Domaine apatitique Domaine hydraté (non apatitique)
10. S. Cazalbou et al., Minéralisations biologiques à base de phosphate de calcium, C. R.
Palevol 3 (2004) 563–572.
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12
11
Domaine apatitique Domaine hydraté (non apatitique)
Les environnements non apatitiques ont été mis en évidence dans
de nombreuses minéralisations biologiques (émail dentaire, os,
cartilage, écailles de poisson)12,13..
Ils sont généralement plus abondants au début des processus de
minéralisation14
.
Les environnements non apatitiques des premiers précipités sont
thermodynamiquement moins stables que la phase apatitique et on
observe, lors du vieillissement des suspensions aqueuses d’apatites
nanocristallines, une progressive diminution relative des domaines
non apatitiques
11. S. Cazalbou et al., Minéralisations biologiques à base de phosphate de calcium, C. R.
Palevol 3 (2004) 563–572. 12. Ch. Rey et al., Non-apatitic environments in bone mineral: FT-IR detection, biological properties
and changes in several disease states, Connect. Tissue Res. 21 (1989) 267–274.
13. Ch. Rey et al., resolution-enhanced infrared spectroscopy study of the environment of the CO3 2–
ion in the mineral phase of enamel during its formation and maturation, Calcif. Tissue Int. 49 (1991)
259–268.
14. Ch Rey et al., Non-apatitic environments in Ca–P biominerals. Implications in reactivity of the
mineral phase and its interactions with the organic matrix constituents, Bull. Inst. Océanogr. Monaco
14 (1994) 55–64 (special issue).
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13
Domaine apatitique Domaine hydraté (non apatitique)
Parallèlement, d’autres études suggèrent
que les différentes caractéristiques des apatites
biologiques, notamment leur morphologie
cristalline, puissent être interprétées en
considérant l’existence d’un phosphate
octocalcique (OCP)15
, dont la structure est très
proche de celle des apatites et qui possède la
propriété de s’hydrolyser en apatite sans
changement de morphologie cristalline.
15. W.E. Brown, Crystal growth of bone mineral, Clin. Orthop. 44 (1966) 205–220.
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14
Chapitre 4.11 Structure des apatites à l’échelle atomique
Les apatites dans le système hexagonal (P63/m) se caractérisent par la
présence de deux sites de cationiques distincts notés Me(I) et Me(II). La formule
générale est donc
Me6Me4(XO4)6Y2
Caractéristique du système hexagonal avec les nœuds de réseau à gauche et
schéma de l’hydroxyapatite à droite avec en noir Me en site I et en blanc Me en
site II.
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15
Rappel cristallographique
Un cristal périodique est l’association d’un réseau et d’un motif placé en chaque nœud
du réseau. Un réseau est un ensemble de points appelés nœud du réseau dont les positions
sont données par
Ruvw = ua + vb + wc
a,b,c sont des vecteurs formant une base de l’espace et u,v,w sont des entiers
Une translation du réseau est définie par T = ua + vb + wc et laisse le réseau invariant.
Le motif est l’ensemble des atomes associés à chaque nœud du réseau.
Les sept systèmes cristallins et les quatorze réseaux d'Auguste
Bravais.
16
16. http://lycees.ac-rouen.fr/galilee/bravais.html
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16
Dans le cas des phosphates de calcium, on a donc la formule
Ca6Ca4(PO4)6Y2
L’apatite est essentiellement constituée d’un squelette formé d’ions
phosphates (PO4 3-
) disposés en deux couches par maille dans lesquelles ils
constituent des arrangements hexagonaux.
La disposition de ces couches de tétraèdres PO43-
est telle qu’il existe,
perpendiculairement à elles, deux jeux de tunnels :
le premier coïncide avec l’axe ternaire de la structure. Ces
tunnels sont occupés par les ions calcium notés Ca(I). Ils sont coordinés par neuf
atomes d’oxygène appartenant aux groupements PO43-
.
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17
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18
le deuxième jeu, dont les axes coïncident avec les axes
sénaires hélicoïdaux du réseau, sont bordés par des atomes d’oxygène et les
autres ions calcium Ca(II). Les axes sont occupés par les ions hydroxydes. Les
ions calcium sont coordinés par six atomes d’oxygène, des tétraèdres PO43-
et
par un ion hydroxyde, soit une coordinance globale de 7.
Le diamètre de ces tunnels (3 Å) est supérieur au diamètre
du premier jeu. Ils confèrent au réseau des apatites des propriétés
d’échangeurs d’ions, ou même de réseau hôte de composés d’insertion, les
tunnels étant occupés par des molécules
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Atomes x y z
Ca [I] 1/3 2/3 0.0016
Ca [II] 0.246 0.9923 0.25
P 0.398 0.368 0.25
O1 0.3275 0.4841 0.25
O2 0.5869 0.4649 0.2500
O3 0.3436 0.258 0.0705
O 0.00 0.00 0.1975
H 0.000 0.000 0.054
Tableau 2 : Position des atomes dans la maille
Figure 18. Répartition spatiale des atomes dans la maille
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Figure 19a. Répartition des atomes d’oxygènes autour des atomes de calcium CaI
Figure 19b. Répartition des atomes d’oxygènes autour des atomes de calcium CaII
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21
Chapitre 4B.12 Les processus de substitution à l’échelle atomique
L’apatite naturelle contient généralement une grande quantité d’éléments
traces. Plus de 35 éléments en traces ont été signalés dans les apatites
naturelles17
.
Quelques exemples de substitution
Me (XO4)2- Y-
Substitution
stœchiométrique
Ca2+
Sr2+
Ba2+
Zn2+
Pb2+
PO43-
AsO43-
VO43-
MnO43-
F-
OH-
Cl-
Br-
Substitution
non
stœchiométrique
Na+
Cs+
Al3+
SO42-
CO32-
HPO42-
SiO44-
GeO44-
O2-
CO32-
Ca10(PO4)6(OH)2
17. Thèse W. Gao, Synthèse et caractérisation de revêtements de silicate de lanthane de
structure apatitique élaborés par projection plasma dédiés aux piles à combustibles IT-SOFCs
Septembre 2008, Université de technologie de Belfort-Montbéliard
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Ca10(PO4)6X2
Ca2+ Cd2+, Ba2+,Mg2+, Sr2+, Zn2+, Pb2+
PO43-
OH-
Domaine apatitique Domaine hydraté (non apatitique)
Cette caractéristique, ainsi que d’autres aspects spectraux et structuraux,
sont attribués à l’existence d’un précurseur, généralement un phosphate
amorphe, qui évolue progressivement vers une phase apatitique18
. Il faudra
attendre plusieurs années pour que soit établie de manière irréfutable l’absence
de phase amorphe en proportion détectable dans la phase apatitique des tissus
durs des vertébrés19
.
18. J.D. Termine, A.S. Posner, Amorphous/crystalline interrelationships in bone mineral,
Calcif. Tissue Res. 6 (1966) 335–342.
19. M. Grynpas et al. Failure to detect an amorphous calcium–phosphate solid phase in bone
mineral: a radial distribution function study, Calcif. Tissue Int. 36 (1984) 291–301.
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23
Chapitre 4.13 Les carbonates
OH- & CO3
2-
Chapitre 4.14 Les cations
Zn2+,
Mg2+
, Sr2+
, Ga2+
, Pt2+
Pb2+
, Cd2+
Ti2+
,Gd3+
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24
Chapitre 4B.9 Les carbonates
Quelques généralités20
Sur le plan de la cristallochimie, J. Kapolos et al. ont dévoilé le rôle des
carbonates sur la morphologie des cristaux. On sait aussi que ces groupements
carbonates ont un rôle de modérateur lors de la croissance des apatites.
Ces carbonates sont présents dans la plus part des apatites biologiques21
.
Le taux de carbonate augmente dans l’os cortical après ovariectomie, mais reste
stable ou décroît dans l’os trabéculaire. Dans l’os cortical, un traitement à la
nandrolone inverse l’augmentation induite par l’ovariectomie pour les
carbonates de type A22,23
.
20. Kapolos J, Koutsoukos PG (1999) Formation of calcium phosphates in aquous solutions
in the presence of carbonate ions. Langmuir 15: 6557-6562.
21. Chakraborty et al., Structural and microstructural characterization of bioapatites and
synthetic hydroxyapatite using X-ray powder diffraction and Fourier transform infrared
techniques, J. Appl. Cryst. (2006). 39, 385–390.
22. Astala R, Stott MJ (2005) First Principles Investigation of Mineral Component of Bone:
CO3 Substitutions in hydroxyapatite. Chem. Mater. 17 : 4125–4134.
23. R.Y. Huang et al. (2003) In situ chemistry of osteoporosis revealed by S.R.-F.T.-I.R. Bone
33 (2003) 514–521.
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25
Deux familles d’apatite24
I/ Cas de l’émail dentaire
Dans des milieux pauvres en ions carbonate, conduit à des apatites qui
tendent vers la stœchiométrie. Dans ce cas, les apatites sont moins lacunaires et
de fait plus résistantes aux attaques acides.
25
24. S. Cazalbou et al., Minéralisations biologiques à base de phosphate de calcium, C. R.
Palevol 3 (2004) 563–572.
25. http://www.studiodentaire.com/fr/glossaire/dentine.php
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26
II/ Cas de l’os & de la dentine
Dans un milieu riche en ions carbonate, la maturation est associée à une
diminution de la proportion d’ions hydrogénophosphate,
26
26 http://www.ikonet.com/fr/ledictionnairevisuel/etre-humain/anatomie/squelette/types-
os.php
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27
Type A :
Ca10 (PO4)6 CO3
Type B :
[Ca10-x+ux-u][(PO4)6-x(CO3)x][OH2-x+2u x-2u]
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28
Les carbonates & RAMAN
Type A : Ca10 (PO4)6 CO3
Type B : [Ca10-x+ux-u] [(PO4)6-x(CO3)x][OH2-x+2u x-2u]
A
957 cm-1
946 cm-1
B
964 cm-1
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29
Les carbonates & RAMAN
A
B
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30
Type A :
Ca10 (PO4)6 CO3
27
28
Combination patterns of CO3-CO3 pair in the A site. Triangles represent CO3
ions. Existence of pattern (e) or (f ) is implausible.
27. http://www.3dchem.com/inorganicmolecule.asp?id=917
28. Suetsugu Y, et al .J (2000) Structure Analysis of A-Type Carbonate Apatite by a Single-
Crystal X-Ray Diffraction Method, J. of Sol. Sta. Chem. 155 : 292–297
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31
Influence des carbonates sur l’adhésion cellulaire29
In in vivo cultures, cells do not feel the naked apatite surface, but a layer
of adsorbed ions, proteins and other molecules native from the culture medium.
Cell attachment occurs via protein adhesion molecules in this layer.
Especially fibronectin and vitronectin present in the supplemented FBS,
are known to promote cell adhesion and spreading on diverse materials,
including hydroxyapatite30
,31
,32
.
The influence of the carbonate content in apatites on the adhesion and the
proliferation of MC3T3-E1 osteoblastic cells was investigated. B-type
carbonated apatites (DCAps) were prepared by the hydrolysis of monetite
(CaHPO4, DCP) in solutions with a carbonate concentration ranging from 0.001
to 0.075 mol l-1
.
29. Pieters et al., Carbonated apatites obtained by the hydrolysis of monetite: Influence of
carbonate content on adhesion and proliferation of MC3T3-E1 osteoblastic cells, Acta
Biomaterialia 6 (2010) 1561–1568
30. Kilpadi KL, Chang PL, Bellis SL. Hydroxylapatite binds more serum proteins, purified
integrins, and osteoblast precursor cells than titanium or steel. J Biomed Mater Res
2001;57(2):258–67.
31. Steele JG, McFarland C, Dalton BA, Johnson G, Evans MD, Howlett CR, et al.
Attachment of human bone cells to tissue culture polystyrene and to unmodified polystyrene:
the effect of surface chemistry upon initial cell attachment. J Biomater Sci Polym Ed
1993;5(3):245–57.
32. Howlett CR, Evans MDM, Walsh WR, Johnson G, Steele JG. Mechanisms of initial
attachment of cells derived from human bone to commonly used prosthetic materials during
cell culture. Biomaterials 1994;15(3):213–22.
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32
Fig. 1. X-ray diffractograms of DCAp0, DCAp1, DCAp3 and DCAp6. Intensity
versus diffraction angle. The vertical lines indicate the shift of the [0 0 2] and
the [3 0 0] diffraction peaks with increasing carbonate content.
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33
An optimal composition and structure of the adsorbed surface layer in
terms of cell adhesion are apparently achieved with carbonate contents equal to
or greater than 6.9 wt.% (DCAp3, DCAp5 and DCAp6).
High cell proliferation, however, is only achieved on DCAp5 and DCAp6
having a remarkably higher carbonate content than 6.9 wt.%.
These results suggest that, with regard to cell proliferation,
only apatites with high carbonate contents allow for an optimal
adsorption of proteins improving cell adhesion.
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34
Chapitre 4B.10 Insertion de cations
Règles de goldschmit
Introduites par V. Goldschmidt en 1925-1926, ces règles précisent les
éventuelles substitutions d'ions dans un édifice cristallin. Elles reposent sur le
principe qui veut que l'ion préférentiellement incorporé dans une structure est
celui qui confère la plus grande stabilité.
Les rayons ioniques
Pour que deux ions puissent se remplacer l'un l'autre dans un cristal, leurs rayons
ioniques ne doivent par différer de plus de 15%.
Ca2+
: 0.99 Å
Sr2+
: 1.12 Å
Zn2+
: 0.74 Å
Pb2+
: 1.20 Å
Cu2+
: 0.72 Å
Fe2+
: 0.74Å
Mg2+
: 0.66Å
Les charges
Si la différence de charge est supérieure à une unité, la substitution est plus
difficile.
La force de liaison
L’électronégativité
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35
Ca10(PO4)6OH2
Ca2+
Zn2+
The effects of Zn2+ on osteogenesis stimulation
have become major topics in the research fields of bone
formation and organism essential elements33
Les métalloprotéines
34, combinaisons chimiques d’acides aminés et
d’ions métalliques tels que Fe, Ca, Cu, Zn, Mn etc. représentent un tiers des
protéines. Les ions métalliques dans les métalloprotéines sont cruciaux pour la
fonction de ces protéines, et ils sont requis dans de nombreuses réactions
enzymatiques essentielles. L’aptitude des métaux de transition à exister en
divers états d’oxydation est un avantage important pour les protéines, qui
requièrent des donneurs/accepteurs d’électrons pour effectuer les réactions de
transfert d’électrons dans certaines enzymes.
33. K. Ishikawa et al., Fabrication of Zn containing apatite cement and its initial evaluation
using human osteoblastic cells, Biomaterials, 23 (2002) 423-428.
34. http://www-dsv.cea.fr/dsv/instituts/institut-de-biologie-et-de-technologies-de-saclay-
ibitec-s/unites-de-recherche/service-de-bioenergetique-biologie-structurale-et-mecanismes-
sb2sm-ura-2096-cnrs/laboratoire-bioenergetique-membranaire-et-stress-lbms/modelisation-
moleculaire-des-proteines-membranaires-m.-marchi
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36
Sr2+
Osteoporosis
35, leading to enhanced bone fragility and fracture risk, is
now a worldwide health problem in the aging society. This originates from
imbalance between bone resorption and bone formation during bone remodeling
processes. For treatment and prevention of osteoporosis, it is found that
supplementation of strontium as well as calcium, magnesium, and zinc is
effective to reduce bone resorption and/or to increase bone formation.36
,37
,38
,39
It
is also reported that strontium’s effects depend on the dose used: low doses of
strontium can stimulate bone formation whereas high doses induce defective
bone mineralization.6
Our findings suggest that the beneficial effect of Sr2+
at a low dose is
rather an inhibitor of bone resorption than an activator of mineral formation,
while at high Sr2+
concentration (1–5 mL), mineral formation, especially other
types of mineral than HA, is favored.40
41
35. Matsunaga et al., Strontium Substitution in Bioactive Calcium Phosphates: A First-
Principles Study, J. Phys. Chem. B 2009, 113, 3584–3589
36. Grynpas, M. D.; Marie, P. J. Bone 1990, 11, 313–319.
37. Canalis, E.; Hott, M.; Delffre, P.; Tsouderos, Y.; Marie, P. J. Bone 1996, 18, 517–524.
38. Buehler, J.; Chappuis, P.; Saffar, J. L.; Tsouderos, Y.; Vignery, A. Bone 2001, 29, 176-
179.
39. Marie, P. J.; Ammann, P.; Boivin, G.; Rey, C. Calcif. Tissue Int. 2001, 69, 121-129.
40. G. Bechkoff et al. Distinct actions of strontium on mineral formation in matrix vasicles
Biochem and Biophys. research Comm. 373 (2008) 378- 381.
41. http://maladiedegaucher.canalblog.com/archives/osteoporose/p30-0.html
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37
Ga2+
Gallium, a group IIIa metal, is known to interact with
hydroxyapatite as well as the cellular components of bone.
In recent studies we have found gallium to be a potent inhibitor
of bone resorption that is clinically effective in controlling cancer-
related hypercalcemia as well as the accelerated bone resorption
associated with bone metastases.42
Pb2+
, Cd2+
Apatite amendments to Pb-contaminated soil materials can
induce the formation of pyromorphites43
.
The finding of the highly specific accumulation of lead in the
tidemark of human articular cartilage is novel. However at this point,
the exact mechanisms of the local Pb accumulation as well as its
clinical implications are unknown44
.
Ti2+
,Gd3+
The cellular responses to degradation products from titanium
(Ti) implants are important indicators for the biocompatibility of these
widely used implantable medical devices. TiO2 nanoparticles induced
both apoptotic and necrotic modifications in U937 cells45
.
Free gadolinium (Gd3+
) is extremely toxic, disrupts cellular
processes, inhibits stretch-activated ion channels, and is one of the
most efficient known calcium antagonists.
42. R. S. Bockman et al., Gallium increases bone calcium and crystallite perfection of
hydroxyapatite, Calcified Tissue International 39, 1986,376-381.
43. V. Laperche et al., Chemical and mineralogical charactérizations of Pb in a contaminated
soil : reactions with synthetic apatite
Envir. Sci. Tech. 30 (1996) 3321-3326.
44. N. Zoeger et al., Lead accumulation in tidemark of articular cartilage
Osteoarthritis and cartilage 14 (2006) 906-914.
45. Vamanu et al., Induction of cell death by TiO2 nanoparticles: Studies on a human
monoblastoid cell line Toxicology in Vitro 22 (2008) 1689–1696.